El cruce cromosómico , o entrecruzamiento , es el intercambio de material genético durante la reproducción sexual entre las cromátidas no hermanas de dos cromosomas homólogos que da como resultado cromosomas recombinantes . Es una de las fases finales de la recombinación genética , que ocurre en la etapa paquiteno de la profase I de la meiosis durante un proceso llamado sinapsis . La sinapsis comienza antes de que se desarrolle el complejo sinaptonémico y no se completa hasta cerca del final de la profase I. El cruce generalmente ocurre cuando regiones coincidentes en cromosomas coincidentes se rompen y luego se vuelven a conectar con el otro cromosoma.
El cruce fue descrito, en teoría, por Thomas Hunt Morgan ; El término cruce fue acuñado por Morgan y Eleth Cattell. [3] Hunt se basó en el descubrimiento de Frans Alfons Janssens, quien describió el fenómeno en 1909 y lo llamó "quiasmatypie". [4] El término quiasma está vinculado, si no idéntico, al cruce cromosómico. Morgan vio inmediatamente la gran importancia de la interpretación citológica de los quiasmas de Janssens para los resultados experimentales de su investigación sobre la herencia de Drosophila . La base física del cruce fue demostrada por primera vez por Harriet Creighton y Barbara McClintock en 1931. [5]
La frecuencia vinculada de cruce entre dos loci genéticos ( marcadores ) es el valor de cruce . Para un conjunto fijo de condiciones genéticas y ambientales, la recombinación en una región particular de una estructura de enlace ( cromosoma ) tiende a ser constante y lo mismo ocurre con el valor de entrecruzamiento que se utiliza en la producción de mapas genéticos . [6] [7]
Cuando Hotta et al. En 1977, al comparar el entrecruzamiento meiótico ( recombinación ) en lirio y ratón, concluyeron que diversos eucariotas comparten un patrón común. [8] Este hallazgo sugirió que el cruce cromosómico es una característica general de la meiosis eucariota.
Existen dos teorías populares y superpuestas que explican los orígenes del entrecruzamiento, provenientes de las diferentes teorías sobre el origen de la meiosis . La primera teoría se basa en la idea de que la meiosis evolucionó como otro método de reparación del ADN y, por lo tanto, el entrecruzamiento es una forma novedosa de reemplazar secciones de ADN posiblemente dañadas. [9] La segunda teoría surge de la idea de que la meiosis evolucionó a partir de la transformación bacteriana , con la función de propagar la diversidad. [9]
En 1931, Barbara McClintock descubrió una planta de maíz triploide. Hizo hallazgos clave sobre el cariotipo del maíz, incluido el tamaño y la forma de los cromosomas. McClintock utilizó las etapas de profase y metafase de la mitosis para describir la morfología de los cromosomas del maíz y más tarde mostró la primera demostración citológica de entrecruzamiento en la meiosis. Al trabajar con la estudiante Harriet Creighton, McClintock también hizo contribuciones significativas a la comprensión temprana de la codependencia de genes vinculados.
El entrecruzamiento y la reparación del ADN son procesos muy similares, que utilizan muchos de los mismos complejos proteicos. [10] [11] En su informe, "La importancia de las respuestas del genoma al desafío", McClintock estudió el maíz para mostrar cómo el genoma del maíz se cambiaría para superar las amenazas a su supervivencia. Usó 450 plantas autopolinizadas que recibieron de cada padre un cromosoma con un extremo roto. Utilizó patrones modificados de expresión genética en diferentes sectores de las hojas de sus plantas de maíz para mostrar que los elementos transponibles ("elementos de control") se esconden en el genoma y su movilidad les permite alterar la acción de los genes en diferentes loci. Estos elementos también pueden reestructurar el genoma, desde unos pocos nucleótidos hasta segmentos completos de cromosoma. Las recombinasas y primasas sientan la base de los nucleótidos a lo largo de la secuencia del ADN. Uno de esos complejos proteicos particulares que se conserva entre procesos es RAD51 , una proteína recombinasa bien conservada que ha demostrado ser crucial en la reparación y el cruce del ADN. [12] Varios otros genes en D. melanogaster también se han relacionado con ambos procesos, al mostrar que los mutantes en estos loci específicos no pueden sufrir reparación o entrecruzamiento del ADN. Dichos genes incluyen mei-41, mei-9, hdm, spnA y brca2. [ cita necesaria ] Este gran grupo de genes conservados entre procesos apoya la teoría de una estrecha relación evolutiva. Además, se ha descubierto que la reparación y el cruce del ADN favorecen regiones similares en los cromosomas. En un experimento que utilizó el mapeo de híbridos de radiación en el cromosoma 3B del trigo ( Triticum aestivum L. ), se descubrió que el entrecruzamiento y la reparación del ADN ocurrían predominantemente en las mismas regiones. [13] Además, se ha correlacionado que el entrecruzamiento ocurre en respuesta a condiciones estresantes y probablemente dañinas para el ADN [14] [15]
El proceso de transformación bacteriana también comparte muchas similitudes con el cruce cromosómico, particularmente en la formación de protuberancias en los lados de la cadena de ADN rota, lo que permite la hibridación de una nueva cadena. La propia transformación bacteriana se ha relacionado muchas veces con la reparación del ADN. [ cita necesaria ] La segunda teoría proviene de la idea de que la meiosis evolucionó a partir de la transformación bacteriana , con la función de propagar la diversidad genética. [9] [16] Por lo tanto, esta evidencia sugiere que es una cuestión de si el cruce está relacionado con la reparación del ADN o la transformación bacteriana, ya que los dos no parecen ser mutuamente excluyentes. Es probable que el entrecruzamiento haya evolucionado a partir de la transformación bacteriana, que a su vez se desarrolló a partir de la reparación del ADN, explicando así los vínculos entre los tres procesos.
La recombinación meiótica puede iniciarse mediante roturas de doble cadena que se introducen en el ADN mediante la exposición a agentes que dañan el ADN [9] o la proteína Spo11 . [17] Luego, una o más exonucleasas digieren los extremos 5' generados por las roturas de la doble cadena para producir colas de ADN monocatenarias 3' (ver diagrama). La recombinasa específica de la meiosis Dmc1 y la recombinasa general Rad51 recubren el ADN monocatenario para formar filamentos de nucleoproteína. [18] Las recombinasas catalizan la invasión de la cromátida opuesta por el ADN monocatenario de un extremo de la rotura. A continuación, el extremo 3' del ADN invasor prepara la síntesis de ADN, provocando el desplazamiento de la hebra complementaria, que posteriormente se hibrida con el ADN monocatenario generado a partir del otro extremo de la rotura bicatenaria inicial. La estructura resultante es un intercambio entre cadenas , también conocido como unión Holliday . El contacto entre dos cromátidas que pronto sufrirán un entrecruzamiento se conoce como quiasma . La unión Holliday es una estructura tetraédrica que puede ser "tirada" por otras recombinasas, moviéndola a lo largo de la estructura de cuatro cadenas.
Las proteínas MSH4 y MSH5 forman una estructura heterooligomérica ( heterodímero ) en levaduras y humanos. [19] [20] [21] En la levadura Saccharomyces cerevisiae, MSH4 y MSH5 actúan específicamente para facilitar los cruces entre cromosomas homólogos durante la meiosis . [19] El complejo MSH4/MSH5 se une y estabiliza las uniones dobles de Holliday y promueve su resolución en productos cruzados. Un mutante hipomórfico (parcialmente funcional) MSH4 de S. cerevisiae mostró una reducción del 30% en todo el genoma en el número de cruces y una gran cantidad de meiosis con cromosomas sin intercambio. [22] Sin embargo, este mutante dio lugar a patrones de viabilidad de esporas que sugieren que la segregación de cromosomas sin intercambio se produjo de manera eficiente. Así, en S. cerevisiae la segregación adecuada aparentemente no depende enteramente de cruces entre pares homólogos .
El saltamontes Melanoplus femur-rubrum fue expuesto a una dosis aguda de rayos X durante cada etapa individual de la meiosis y se midió la frecuencia del quiasma . [23] Se descubrió que la irradiación durante las etapas de meiosis leptoteno - cigoteno (es decir, antes del período paquiteno en el que se produce la recombinación cruzada) aumenta la frecuencia del quiasma posterior. De manera similar, en el saltamontes Chorthippus brunneus , la exposición a la radiación X durante las primeras etapas de cigoteno y paquiteno provocó un aumento significativo en la frecuencia media del quiasma celular. [24] La frecuencia del quiasma se calificó en las últimas etapas de la meiosis con diploteno-diacinesis . Estos resultados sugieren que los rayos X inducen daños en el ADN que se reparan mediante una vía cruzada que conduce a la formación de quiasmas.
Las roturas de doble cadena (DSB) se reparan mediante dos vías para generar cruces en eucariotas. [25] La mayoría de ellos son reparados por los homólogos de MutL MLH1 y MLH3, que definen los cruces de clase I. Los restantes son resultado de la vía de clase II, que está regulada por la endonucleasa MUS81 y la translocasa FANCM . Existen interconexiones entre estas dos vías: los cruces de clase I pueden compensar la pérdida de la vía de clase II. En ratones knockout para MUS81, los cruces de clase I son elevados, mientras que los recuentos totales de cruces en los quiasmas son normales. Sin embargo, los mecanismos que subyacen a esta diafonía no se comprenden bien. Un estudio reciente sugiere que una proteína de andamio llamada SLX4 puede participar en esta regulación. [26] Específicamente, los ratones con inactivación de SLX4 fenocopian en gran medida la inactivación de MUS81; una vez más, un cruce de clase I elevado mientras que el recuento de quiasmas es normal. En ratones knockout para FANCM, la vía de clase II está hiperactivada, lo que da como resultado un mayor número de cruces que son independientes de la vía MLH1/MLH3. [27]
En la mayoría de los eucariotas , una célula porta dos versiones de cada gen , cada una de las cuales se denomina alelo . Cada padre transmite un alelo a cada descendiente. Un gameto individual hereda un complemento haploide completo de alelos en los cromosomas que se seleccionan independientemente de cada par de cromátidas alineadas en la placa metafásica. Sin recombinación, todos los alelos de esos genes unidos en el mismo cromosoma se heredarían juntos. La recombinación meiótica permite una segregación más independiente entre los dos alelos que ocupan las posiciones de genes individuales, ya que la recombinación baraja el contenido de los alelos entre cromosomas homólogos.
La recombinación da como resultado una nueva disposición de los alelos maternos y paternos en el mismo cromosoma. Aunque los mismos genes aparecen en el mismo orden, algunos alelos son diferentes. De esta manera, es teóricamente posible tener cualquier combinación de alelos parentales en una descendencia, y el hecho de que dos alelos aparezcan juntos en una descendencia no tiene ninguna influencia en la probabilidad estadística de que otra descendencia tenga la misma combinación. Este principio de " distribución independiente " de genes es fundamental para la herencia genética. [28] Sin embargo, la frecuencia de recombinación en realidad no es la misma para todas las combinaciones de genes. Esto lleva a la noción de " distancia genética ", que es una medida de la frecuencia de recombinación promediada sobre una muestra (adecuadamente grande) de genealogías. En términos generales, se puede decir que esto se debe a que la recombinación está muy influenciada por la proximidad de un gen a otro. Si dos genes están ubicados muy juntos en un cromosoma, la probabilidad de que un evento de recombinación separe estos dos genes es menor que si estuvieran más separados. El ligamiento genético describe la tendencia de los genes a heredarse juntos como resultado de su ubicación en el mismo cromosoma. El desequilibrio de ligamiento describe una situación en la que algunas combinaciones de genes o marcadores genéticos ocurren con mayor o menor frecuencia en una población de lo que se esperaría dadas las distancias que los separan. Este concepto se aplica cuando se busca un gen que pueda causar una enfermedad concreta . Esto se hace comparando la aparición de una secuencia de ADN específica con la aparición de una enfermedad. Cuando se encuentra una alta correlación entre los dos, es probable que la secuencia genética apropiada sea realmente más cercana [28]
Los cruces suelen producirse entre regiones homólogas de cromosomas coincidentes , pero las similitudes en la secuencia y otros factores pueden dar lugar a alineamientos no coincidentes. La mayor parte del ADN se compone de secuencias de pares de bases repetidas un gran número de veces. [29] Estos segmentos repetitivos, a menudo denominados satélites, son bastante homogéneos entre una especie. [29] Durante la replicación del ADN , cada hebra de ADN se utiliza como plantilla para la creación de nuevas hebras utilizando un mecanismo parcialmente conservado; El funcionamiento adecuado de este proceso da como resultado dos cromosomas pares idénticos, a menudo llamados hermanos. Se sabe que los eventos de cruce de cromátidas hermanas ocurren a un ritmo de varios eventos de cruce por célula y por división en eucariotas. [29] La mayoría de estos eventos implican un intercambio de cantidades iguales de información genética, pero pueden ocurrir intercambios desiguales debido a una discrepancia en la secuencia. Estos reciben diversos nombres, incluidos cruce no homólogo, cruce desigual y recombinación desequilibrada, y dan como resultado una inserción o eliminación de información genética en el cromosoma. Si bien son poco comunes en comparación con los eventos de cruce homólogo, estas mutaciones son drásticas y afectan a muchos loci al mismo tiempo. Se consideran el principal impulsor de la generación de duplicaciones genéticas y son una fuente general de mutación dentro del genoma . [30]
Se desconocen las causas específicas de los eventos de cruce no homólogos, pero se sabe que varios factores influyentes aumentan la probabilidad de un cruce desigual. Un vector común que conduce a una recombinación desequilibrada es la reparación de roturas de doble cadena (DSB). [31] Los DSB a menudo se reparan mediante reparación dirigida por homología, un proceso que implica la invasión de una cadena plantilla por la cadena DSB (consulte la figura a continuación). Las regiones homólogas cercanas de la cadena plantilla se utilizan a menudo para la reparación, lo que puede dar lugar a inserciones o eliminaciones en el genoma si se utiliza una parte no homóloga pero complementaria de la cadena plantilla. [31] La similitud de secuencia es un factor importante en el cruce: es más probable que ocurran eventos de cruce en regiones largas de identidad cercana en un gen. [32] Esto significa que cualquier sección del genoma con secciones largas de ADN repetitivo es propensa a eventos de cruce.
La presencia de elementos transponibles es otro elemento influyente del cruce no homólogo. Las regiones repetitivas de código caracterizan elementos transponibles; Las regiones complementarias pero no homólogas son ubicuas dentro de los transposones. Debido a que las regiones cromosómicas compuestas de transposones tienen grandes cantidades de código idéntico y repetitivo en un espacio condensado, se cree que las regiones de transposones que experimentan un evento de cruce son más propensas a un emparejamiento complementario erróneo; [33] es decir, una sección de un cromosoma que contiene muchas secuencias idénticas, en caso de sufrir un evento de cruce, tiene menos probabilidades de coincidir con una sección perfectamente homóloga de código complementario y es más propensa a unirse con una sección de código en una parte ligeramente diferente del cromosoma. Esto da como resultado una recombinación desequilibrada, ya que la información genética puede insertarse o eliminarse en el nuevo cromosoma, dependiendo de dónde ocurrió la recombinación.
Si bien los factores que motivan la recombinación desigual siguen siendo oscuros, se han dilucidado elementos del mecanismo físico. Las proteínas reparadoras de errores de coincidencia (MMR), por ejemplo, son una familia reguladora bien conocida de proteínas, responsables de regular secuencias de ADN no coincidentes durante la replicación y la regulación de escape. [34] El objetivo operativo de las MMR es la restauración del genotipo parental. Se sabe que una clase de MMR en particular, MutSβ, inicia la corrección de desajustes de inserción-deleción de hasta 16 nucleótidos. [34] Poco se sabe sobre el proceso de escisión en eucariotas, pero las escisiones de E. coli implican la escisión de una muesca en la cadena 5' o 3', después de lo cual la ADN helicasa y la ADN polimerasa III se unen y generan proteínas monocatenarias. los cuales son digeridos por exonucleasas y unidos a la hebra por ligasa . [34] Se han implicado múltiples vías MMR en el mantenimiento de la estabilidad del genoma de organismos complejos, y cualquiera de las muchas posibles fallas en la vía MMR resulta en errores de corrección y edición del ADN. [35] Por lo tanto, si bien no se sabe exactamente qué mecanismos conducen a errores de cruce no homólogo, es muy probable que la vía MMR esté involucrada.
